如何构建一个比复数域$\mathbb{C}$还要大的域?
本文我们探讨这个问题:
是否存在一种扩张复数域$\mathbb{C}$的方法,使得$\mathbb{C} \subset\mathbb{C}[a]$?或者$\mathbb{C}$是所有域扩张的终点?
下面围绕这个问题,我们将提供两种扩张复数域$\mathbb{C}$的方法。
方法1:$\mathbb{C}$的笛卡儿积$$P = {\Bbb C}\times{\Bbb C}\times\cdots$$并不是一个域,因为它有零因子:$$(0,1,0,1,\cdots)(1,0,1,0\cdots)=(0,0,0,0,\cdots)。$$
但是将零因子商掉,就能得到一个域。令$\mathcal U$为$\Bbb N$上的一个nonprincipal ultrafilter。我们定义$$(a_1,a_2,\cdots)\sim(b_1,b_2,\cdots)$$当$$\{n\in\Bbb N\,\vert\, a_n=b_n\}\in\mathcal U。$$
然后商$F = P/\sim$就是一个严格比$\mathbb{C}$大的域,我们称这个域为超积(英语:ultraproduct)。并且嵌入映射$\Bbb C\longrightarrow F$是显然的。
方法2:给定任意一个域,我们总能构造更大的域出来。如果给定的域不是代数封闭的,我们给adjoin新的多项式的根,否则我们可以adjoin超越元素(这等价于构建一个有理函数域)。事实上,每一个域扩张都是一个纯超越扩张的代数扩张。
(因为$\Bbb C$是代数封闭的,它没有代数扩张,因此没有有限域扩张。)
特别的,$\Bbb C(T)$(复系数变量$T$的有理函数域)在集合论包含关系上,比$\Bbb C$大。然而,它的代数闭包跟$\Bbb C$有着相同的基数,因此它抽象意义上同构于$\Bbb C$。这意味着存在一种将$\Bbb C(T)$嵌入到$\Bbb C$里的方法。如果我们想要在基数意义上构建更大的域,我们可以构建$\kappa$多个变量的复系数有理函数域,其中$\kappa$是一个比连续统$\mathfrak{c}=|\mathbb{C}|$更大的基数。这显然比$\Bbb C$更大!
注意到$\mathbb{C}[T]$不存在既是域,又严格包含于$\Bbb C$的子环。因为如果它存在,它就会包含某个非常数$f(T)$,从而包含非多项式元素$f(T)^{−1}$,该元素不可能在$\mathbb{C}[T]$里。
同时注意到不同特征值的域是不相容的:不同特征值的域永远不可能包含在同一个域里面。因此,不仅不存在所有域的共同域扩张(一个域能包含所有的域),并且“所有域的类”在不同且互斥的方向上延申(每个素数对应一个,零对应一个)。
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